實驗3.2典型信號頻譜分析實驗指導書

1、實驗3.2典型信號頻譜分析一、 實驗目的1. 在理論學習的基礎上，通過本實驗熟悉典型信號的波形和頻譜特征，并能夠從信號頻譜中讀取所需的信息。2. 了解信號頻譜分析的基本方法及儀器設備。二、 實驗原理1. 典型信號及其頻譜分析的作用正弦波、方波、三角波和白噪聲信號是實際工程測試中常見的典型信號，這些信號時域、頻域之間的關系很明確，并且都具有一定的特性，通過對這些典型信號的頻譜進行分析，對掌握信號的特性，熟悉信號的分析方法大有益處，并且這些典型信號也可以作為實際工程信號分析時的參照資料。本次實驗利用DRVI快速可重組虛擬儀器平臺可以很方便的對上述典型信號作頻譜分析。2. 頻譜分析的方法及設備信號的

2、頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對數(shù)譜等等。對信號作頻譜分析的設備主要是頻譜分析儀，它把信號按數(shù)學關系作為頻率的函數(shù)顯示出來，其工作方式有模擬式和數(shù)字式二種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎，從信號中選出各個頻率成分的量值；數(shù)字式頻譜分析儀以數(shù)字濾波器或快速傅立葉變換為基礎，實現(xiàn)信號的時頻關系轉換分析。傅立葉變換是信號頻譜分析中常用的一個工具，它把一些復雜的信號分解為無窮多個相互之間具有一定關系的正弦信號之和，并通過對各個正弦信號的研究來了解復雜信號的頻率成分和幅值。信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。時域信號x(

3、t)的傅氏變換為： 式中X(f)為信號的頻域表示，x(t)為信號的時域表示，f為頻率。3. 周期信號的頻譜分析周期信號是經(jīng)過一定時間可以重復出現(xiàn)的信號，滿足條件：x ( t ) = x ( t + nT )從數(shù)學分析已知，任何周期函數(shù)在滿足狄利克利（Dirichlet）條件下，可以展開成正交函數(shù)線性組合的無窮級數(shù)，如正交函數(shù)集是三角函數(shù)集（sinn0t,cosn0t）或復指數(shù)函數(shù)集（），則可展開成為傅里葉級數(shù)，通常有實數(shù)形式表達式：直流分量幅值為： 各余弦分量幅值為： 各正弦分量幅值為： 利用三角函數(shù)的和差化積公式，周期信號的三角函數(shù)展開式還可寫如下形式： 直流分量幅值為： A0 = a0各頻

4、率分量幅值為：各頻率分量的相位為：式中，T周期，T=2/0；0基波圓頻率；f0基波頻率；n=0,±1, 。為信號的傅立葉系數(shù)，表示信號在頻率fn處的成分大小。工程上習慣將計算結果用圖形方式表示，以fn為橫坐標，為縱坐標畫圖，則稱為時頻虛頻譜圖；以fn為橫坐標，為縱坐標畫圖，則稱為幅值相位譜；以fn為橫坐標，An2為縱坐標畫圖，則稱為功率譜，如圖7所示。圖7 周期信號的頻譜表示方法頻譜是構成信號的各頻率分量的集合，它完整地表示了信號的頻率結構，即信號由哪些諧波組成，各諧波分量的幅值大小及初始相位，從而揭示了信號的頻率信息。4. 非周期信號的頻譜分析非周期信號是在時間上不會重復出現(xiàn)的信號

5、，一般為時域有限信號，具有收斂可積條件，其能量為有限值。這種信號的頻域分析手段是傅立葉變換。其表達式為： 與周期信號相似，非周期信號也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和，所不同的是，由于非周期信號的周期，基頻，它包含了從零到無窮大的所有頻率分量，各頻率分量的幅值為，這是無窮小量，所以頻譜不能再用幅值表示，而必須用幅值密度函數(shù)描述。非周期信號x(t)的傅立葉變換X(f)是復數(shù)，所以有： 式中|X(f)|為信號在頻率f處的幅值譜密度，為信號在頻率f處的相位差。工程上習慣將計算結果用圖形方式表示，以f為橫坐標，ReX(f)、ImX(f)為縱坐標畫圖，則稱為時頻虛頻密度譜圖；以f為橫坐標，|X(f)|

6、、為縱坐標畫圖，則稱為幅值相位密度譜；以f為橫坐標，|X(f)|2為縱坐標畫圖，則稱為功率密度譜，如圖8所示。圖8 非周期信號的頻譜表示方法與周期信號不同的是，非周期信號的譜線出現(xiàn)在0,fmax的各連續(xù)頻率值上，這種頻譜稱為連續(xù)譜。5. 頻譜分析的應用頻譜分析主要用于識別信號中的周期分量，是信號分析中最常用的一種手段。例如，在機床齒輪箱故障診斷中，可以通過測量齒輪箱上的振動信號，進行頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機床轉速和傳動鏈，找出故障齒輪。再例如，在螺旋漿設計中，可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉速，確定螺旋漿轉速工作范圍。本實驗利用在DRVI上搭建的頻譜分析儀來對信號進行

7、頻譜分析。由虛擬信號發(fā)生器產生多種典型波形的電壓信號，用頻譜分析芯片對該信號進行頻譜分析，得到信號的頻譜特性數(shù)據(jù)。分析結果用圖形在計算機上顯示出來，也可通過打印機打印出來。三、 實驗儀器和設備1. 計算機 n臺2. DRVI快速可重組虛擬儀器平臺 1套3. 打印機 1臺四、 實驗步驟及內容1. 啟動服務器，運行DRVI主程序，開啟DRVI數(shù)據(jù)采集儀電源，然后點擊DRVI快捷工具條上的“聯(lián)機注冊”圖標，選擇其中的“DRVI采集儀主卡檢測”進行服務器和數(shù)據(jù)采集儀之間的注冊。聯(lián)機注冊成功后，分別從DRVI工具欄和快捷工具條中啟動“DRVI微型Web服務器”和“內置的Web服務器”，開始監(jiān)聽8600和

8、8500端口。2. 打開客戶端計算機，啟動計算機上的DRVI客戶端程序，然后點擊DRVI快捷工具條上的"聯(lián)機注冊"圖標，選擇其中的“DRVI局域網(wǎng)服務器檢測”，在彈出的對話框中輸入服務器IP地址（例如：），點擊“發(fā)送”按鈕，進行客戶端和服務器之間的認證，認證完畢后即可正常運行客戶端所有功能。3. 在DRVI軟件平臺的地址信息欄中輸入如下信息“http:/服務器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm”，打開WEB版實驗指導書，在實驗目錄中選擇“典型信號頻譜分析”實驗，根據(jù)實驗原理和要求搭建一個典型信號頻譜分析實驗。4. 該實驗首先需要

9、設計一個典型信號發(fā)生器，來產生白噪聲、正弦波、方波、掃頻信號等各種典型信號，DRVI中提供了一個“數(shù)字信號發(fā)生器”芯片可以直接生成上述信號，可以用一片“多聯(lián)開關”芯片與之聯(lián)動來控制“數(shù)字信號發(fā)生器”芯片的輸出信號類型；對于整個實驗的啟動，用一片“開/關按鈕”芯片來進行控制；為計算信號幅值譜，選擇一片“頻譜計算”芯片；為計算信號的強度，選擇一片“時域參數(shù)計算”芯片；另外選擇二片“波形/頻譜顯示”芯片，用于顯示信號的波形和頻譜；選擇一片“方型儀表”芯片，用于顯示信號的有效值；為實現(xiàn)頻譜的放大、展寬等操作，插入一片“波形/頻譜曲線操作”芯片；最后根據(jù)連接這些芯片所需的數(shù)組型數(shù)據(jù)線數(shù)量，插入4片“內存

10、條”芯片，擴展4條數(shù)組型數(shù)據(jù)線，用于存儲動態(tài)數(shù)據(jù)；再加上一些文字顯示芯片和裝飾芯片，就可以搭建出一個典型信號的頻譜分析實驗。所需的虛擬儀器軟件芯片數(shù)量、種類、與軟件總線之間的信號流動和連接關系如圖9所示，根據(jù)實驗原理設計圖在DRVI軟面包板上插入上述軟件芯片，然后修改其芯片屬性窗中相應的連線參數(shù)就可以完成該實驗的設計和搭建過程。圖9 典型信號頻譜分析實驗原理設計圖5. 例如，從軟件芯片列表中依次插入四片“軟內存條”芯片，其對應的軟件芯片編號分別為6000，6001，6002，6003，然后插入“多聯(lián)開關”芯片、“數(shù)字信號發(fā)生器”芯片和“開關”芯片，利用“移動工具”在軟面包板上完成軟件芯片的布局

11、。然后在“數(shù)字信號發(fā)生器”芯片上用鼠標右鍵點擊，在彈出的芯片屬性對話框中修改“波形存儲芯片號”為6000，將其與數(shù)組型數(shù)據(jù)總線6000即“軟內存條”芯片6000連接；修改“類型線號”為2將其與多聯(lián)開關連接，控制信號的輸出類型；修改“開關線號”為1，將其與“開關”芯片連接，由“開關”芯片來控制信號發(fā)生器的啟/停；其它參數(shù)無需修改，即可完成本實驗中“數(shù)字信號發(fā)生器”芯片的設置過程，如圖10所示。相應的，設置“開關”芯片中的“開關線號”為1；“多聯(lián)開關”芯片中的“開關線號”為2 （與“數(shù)字信號發(fā)生器”類型線號相聯(lián)），“開關數(shù)量”為10（如圖11所示），完成這組軟件芯片的設置過程。其它軟件芯片的設置可

12、參照以上芯片設置方法及實驗原理設計圖完成。圖10 “數(shù)字信號發(fā)生器”芯片參數(shù)設置樣列 圖11 “多聯(lián)開關”芯片參數(shù)設置樣列6. 也可以直接點擊附錄中“實驗腳本文件”的鏈接，將本實驗的腳本文件貼入并運行，實驗截屏效果圖如圖12所示。圖12 典型信號頻譜分析實驗7. 點擊DRVI“典型信號頻譜分析”實驗中的“白噪聲”按鈕，產生白噪聲信號，分析和觀察白噪聲信號波形和幅值譜特性。8. 點擊DRVI“典型信號頻譜分析”實驗中的“正弦波”按鈕，產生正弦波信號，分析和觀察正弦波信號波形和幅值譜特性。9. 點擊DRVI“典型信號頻譜分析”實驗中的“方波”按鈕，產生方波信號，分析和觀察方波信號波形和幅值譜特性。10. 點擊DRVI“典型信號頻譜分析”實驗中的“三角波”按鈕，產生三角波信號，分析和觀察三角波信號波形和幅值譜特性。11. 其余依此類推，分析和觀察信號波形和幅值譜特性。五、 實驗報告要求1. 簡述實驗目的和原理。2. 整理該實驗的設計原理圖。3. 按實驗步